ES2339883T3 - Pala de rotor de turbina eolica y turbina eolica con regulacion de paso. - Google Patents

Abstract

Pala (1) de rotor de turbina eólica con un perfil (5) de superficie aerodinámica que tiene un lado (15) de presión, un lado (13) de succión y un dispositivo (21) de inducción de pérdida de sustentación ubicado en el lado (15) de presión del perfil (5) de superficie aerodinámica, teniendo el dispositivo (23) de inducción de pérdida de sustentación la sección transversal de un triángulo isósceles, caracterizada porque el dispositivo de inducción de pérdida de sustentación está ubicado cerca del borde (9) de ataque del perfil (5) de superficie aerodinámica por debajo del 5% de la longitud de cuerda del perfil (5) de superficie aerodinámica.

Description

Pala de rotor de turbina eólica y turbina eólica con regulación de paso.

La presente invención se refiere a una pala de rotor de turbina eólica y a una turbina eólica con regulación de paso que comprende un rotor con al menos una pala de rotor.

Existen dos maneras diferentes de regular la potencia de salida de una turbina eólica, concretamente la regulación del paso y la regulación de la pérdida de sustentación.

En turbinas eólicas con regulación de paso la potencia de la turbina eólica se regula ajustando un ángulo de paso apropiado para las palas de rotor del rotor. Al ajustar el ángulo de paso, la máquina puede hacerse funcionar con la velocidad de rotor óptima en un intervalo amplio de velocidades de viento. Sin embargo, las turbinas eólicas habitualmente funcionan en un campo de viento turbulento. Una turbina eólica con regulación de paso que funciona en un campo de viento turbulento de este tipo a una velocidad de viento elevada puede experimentar una sustentación negativa en una parte de la superficie aerodinámica de la pala de rotor. En este caso la carga de viento sobre la pala de turbina será opuesta a la dirección principal del viento. Si esto se correlaciona con una carga de sustentación positiva sobre las otras dos palas de un rotor de tres palas pueden producirse momentos de guiñada y vuelco muy elevados que actúan sobre la estructura de la turbina eólica.

El problema de momentos de vuelco y guiñada muy elevados se ha tratado hasta ahora dimensionando la estructura de las palas de rotor de turbina eólica para soportar las cargas que se producen.

En turbinas eólicas con regulación de la pérdida de sustentación la limitación de potencia se regula ajustando una velocidad de rotor apropiada. El ajuste de la velocidad de rotor se realiza induciendo una pérdida de sustentación en las palas de rotor. Los ángulos de paso de las palas de rotor se fijan en máquinas de este tipo. Para turbinas eólicas con regulación de la pérdida de sustentación se conoce usar turbuladores en el borde de ataque del perfil de superficie aerodinámica de una pala de rotor con el fin de reducir las vibraciones de pérdida de sustentación. Los turbuladores de este tipo se dan a conocer, por ejemplo, en el documento EP 0 954 701 B1.

El hecho de que se produzcan momentos de guiñada y vuelco muy elevados es un problema de una turbina eólica con regulación de paso y no de una turbina eólica con regulación de la pérdida de sustentación puesto que la velocidad de rotor y el ángulo de paso de las palas de rotor a una velocidad de viento dada diferirá según el mecanismo de regulación usado.

El documento WO 01/16482 A1 describe una pala para una turbina eólica que tiene generadores que generan turbulencia ubicados en el lado de succión de la pala. Puede haber generadores que generan turbulencia adicionales en el lado de presión de la pala.

El documento US 2007/110585 A1 describe una pala de rotor para una turbina eólica en la que se han formado elementos de característica aerodinámica. Estos elementos influyen en el flujo de aire en la superficie durante el funcionamiento de la turbina eólica y están dispuestos en un patrón bidimensional. Los elementos de características aerodinámica no están presentes cerca del borde de ataque del perfil de superficie aerodinámica. En algunas realizaciones los elementos de característica aerodinámica pueden tener la forma de un triángulo isósceles.

El documento WO 2004/099608 A1 describe una pala de turbina eólica que incluye medios de regulación de la sustentación ajustables.

El documento WO 2006/122547 A1 describe una pala de turbina eólica con regulación de paso que comprende medios de generación de turbulencia que están ubicados en el lado de succión de la pala.

El documento EP 0 947 693 A2 describe una pala de rotor de turbina eólica que tiene un segundo perfil de superficie aerodinámica ubicado en el borde de ataque de la pala.

El documento WO 2007/114698 A2 describe una pala de rotor de turbina eólica que tiene generadores de torbellinos ubicados en el lado de succión y el lado de presión de la pala. Los generadores de torbellinos tienen secciones transversales de triángulos escalenos.

Por lo tanto es un objetivo de la presente invención proporcionar una pala de rotor de turbina eólica que sea adecuada para superar el problema mencionado anteriormente en una turbina eólica con regulación de paso. Es un objetivo adicional de la presente invención proporcionar una turbina eólica con regulación de paso mejorada.

El primer objetivo se soluciona mediante una pala de rotor de turbina eólica según la reivindicación 1. El segundo objetivo se soluciona mediante una turbina eólica con regulación de paso según la reivindicación 3. Las reivindicaciones dependientes contienen desarrollos adicionales de la invención.

Una pala de rotor de turbina eólica según la invención comprende un perfil de superficie aerodinámica que tiene un lado de presión o contra el viento y un lado de succión o a favor del viento. En el lado de presión del perfil de superficie aerodinámica está ubicado un dispositivo de inducción de pérdida de sustentación. El dispositivo de inducción de pérdida de sustentación tiene una sección transversal de un triángulo isósceles y está ubicado cerca del borde de ataque, es decir, por debajo del 5% de la longitud de cuerda del perfil, en particular entre el 2% de la longitud de cuerda y el 5% de la longitud de cuerda.

Tal como ya se ha mencionado en la introducción, ya se conocen dispositivos de inducción de pérdida de sustentación en el borde de ataque o en el lado a favor del viento de un perfil de superficie aerodinámica de pala de rotor de turbina eólica a partir de turbinas eólicas con regulación de pérdida de sustentación. En estos casos los dispositivos de inducción de pérdida de sustentación se usan para reducir la sustentación positiva y de este modo reducir la potencia activa de una turbina eólica. Sin embargo, los dispositivos de inducción de pérdida de sustentación en el lado contra el viento de un perfil de superficie aerodinámica de pala de turbina eólica tienen efectos diferentes en comparación con los dispositivos de inducción de pérdida de sustentación en el borde de ataque o lado a favor del viento para la regulación de la potencia en turbinas eólicas con regulación de pérdida de sustentación. Al situar dispositivos de inducción de pérdida de sustentación de este tipo en el lado contra el viento en turbinas eólicas con regulación de paso, la sustentación negativa máxima en la superficie aerodinámica se reduce perturbando el flujo en el lado contra el viento.

La presente invención se basa en la siguiente observación:

una turbina eólica funciona en un campo de viento turbulento. Esto da como resultado un ángulo diferente de ataque del viento relativo con un ángulo de paso dado medido con respecto a la cuerda del perfil. Sin embargo, diferentes ángulos de ataque generan diferentes sustentaciones en la superficie aerodinámica. Para condiciones de funcionamiento normales con turbulencia moderada una turbina con regulación de paso siempre funciona en una parte lineal de la curva de sustentación, es decir, la sustentación cambia de manera proporcional a un cambio en el ángulo de ataque. En algunas situaciones, sin embargo, una combinación de la posición de rotor y una fuerte cizalladura en el campo de viento puede dar como resultado un ángulo de ataque fuera de esta zona lineal. En estas situaciones las cargas sobre la turbina estarán muy relacionadas con la sustentación máxima y la sustentación mínima de la superficie aerodinámica. Tanto la sustentación mínima como la sustentación máxima se consiguen justo antes de que la superficie aerodinámica entre en pérdida. En la situación con sustentación negativa el flujo se separa en el lado aguas arriba de la superficie aerodinámica. Por lo tanto, el cambio del valor absoluto de la sustentación mínima de una superficie aerodinámica disminuiría tanto la fatiga como las cargas extremas sobre la turbina.

El dispositivo de inducción de pérdida de sustentación de la pala de rotor de turbina eólica según la invención tiene la ventaja de reducir el valor absoluto de la sustentación negativa máxima aunque no influye, en ningún grado apreciable, en las características de funcionamiento del perfil de pala en condiciones de funcionamiento normales. Por otro lado, en condiciones de funcionamiento que pueden generar una carga altamente asimétrica influye de manera profunda y positiva en las cargas.

Una turbina eólica con regulación de paso según la invención comprende un rotor con al menos una pala de rotor de turbina eólica según la invención. En una turbina eólica de este tipo los momentos de guiñada y vuelco en la estructura de turbina eólica a velocidades de viento elevadas pueden reducirse en comparación con una turbina eólica sin una pala de rotor según la invención.

Características, propiedades y ventajas adicionales de la presente invención se harán evidentes a partir de la siguiente descripción de realizaciones en conjunción con los dibujos adjuntos.

La figura 1 muestra una pala de rotor de turbina eólica en una vista en planta en el plano definido por la envergadura de la pala y la cuerda de pala.

La figura 2 muestra una sección según la cuerda a través de la parte de superficie aerodinámica de una pala de rotor que no pertenece a la invención.

La figura 3 muestra el flujo incidente en una pala de rotor de turbina eólica.

La figura 4 muestra valores medidos para la sustentación y la resistencia aerodinámica en una pala de rotor de turbina eólica según la invención en comparación con una pala de rotor convencional.

La figura 5 muestra una sección según la cuerda a través de la parte de superficie aerodinámica de una pala de rotor según una realización de la invención.

La figura 1 muestra una turbina pala 1 de turbina eólica tal como se usa habitualmente en un rotor de tres palas. Sin embargo, la presente invención no debe limitarse a palas para rotores de tres palas. De hecho, también puede implementarse en otros rotores tales como rotores de una pala o rotores de dos palas, o en rotores con más de tres palas.

La pala 1 de rotor mostrada en la figura 1 comprende una parte 3 de raíz con un perfil cilíndrico y una punta 2 que forma la parte más exterior de la pala 1. El perfil cilíndrico de la parte 3 de raíz sirve para fijar la pala 1 a un cojinete de un cubo de rotor (no mostrado). La pala 1 de rotor comprende además lo que se denomina un hombro 7 que se define como la ubicación de la profundidad de perfil máxima de las palas, es decir, su longitud de cuerda máxima. La superficie 5 aerodinámica se extiende a lo largo de lo que se denomina la envergadura (línea de rayas y puntos de la figura 1) entre la parte 3 de raíz y la punta 2.

Una sección transversal a modo de cuerda a través de la superficie 5 aerodinámica de la pala de rotor se muestra en la figura 2. El perfil aerodinámico de la superficie 5 aerodinámica mostrada en la figura 2 comprende un lado 13 de succión convexo, que forma el lado a favor del viento del perfil, y un lado 15 de presión menos convexo, que forma el lado contra el viento del perfil. La línea de rayas y puntos que se extiende desde el borde 9 de ataque de la pala hasta su borde 11 de salida muestra la cuerda del perfil que es perpendicular a la envergadura. Aunque el lado 15 de presión comprende una sección 17 convexa y una sección 19 cóncava en la figura 2, puede implementarse sin ninguna sección cóncava siempre que el lado 13 de succión sea más convexo que el lado 15 de presión.

Un dispositivo 21 de inducción de pérdida de sustentación está ubicado en el lado 15 de presión a aproximadamente el 20% de la longitud de cuerda medida desde el borde 9 de ataque del perfil de la superficie 5 aerodinámica. El dispositivo 21 de inducción de pérdida de sustentación tiene una sección transversal que se parece a un triángulo escaleno y se extiende según la envergadura de manera continua o intermitente sobre una sección de la superficie 5 aerodinámica.

Las condiciones de viento en una superficie aerodinámica se muestran en la figura 3. La figura muestra la dirección W de viento del viento ambiente y la dirección R de rotación de la pala 5 de rotor. Tal como puede verse a partir de la figura, la línea de cuerda del perfil y la dirección de rotación incluyen un ángulo \theta que es el ángulo de paso de la pala de rotor. El ángulo de paso se ajusta de modo que el rotor rota con la velocidad de rotor óptima y la potencia de la turbina eólica está limitada a una potencia máxima en una turbina eólica con regulación de potencia basada en el paso. Debido a la rotación la pala 5 de rotor experimenta un viento relativo que se indica mediante la flecha RW. El viento relativo y el viento ambiente se suman de forma vectorial para dar el viento IW incidente. El ángulo entre la línea de cuerda y la dirección del viento IW incidente se denomina el ángulo \alpha de ataque.

En una turbina eólica con regulación de paso el ángulo \alpha de ataque se reducirá para reducir la potencia de salida y se aumenta para aumentar la potencia de salida de la turbina eólica. El diseño de la superficie aerodinámica habitualmente se centra en una relación elevada entre sustentación y resistencia aerodinámica con ángulos de ataque de aproximadamente 2º.

La sustentación y la resistencia aerodinámica con ángulos de ataque muy elevados y muy bajos es menos importante cuando las superficies aerodinámicas se usan para el diseño de aviones. Para una turbina eólica, sin embargo, las características con un ángulo de ataque bajo son importantes para las cargas de la turbina. Los ángulos de ataque bajos de este tipo pueden ser resultado de una reducción de potencia a velocidades de viento elevadas.

Puesto que una turbina eólica con regulación de paso funciona en un campo de viento turbulento a velocidades de viento elevadas puede surgir una situación cuando se ajusta el ángulo \theta de paso de modo que el ángulo de ataque se aproxima a 0º en la que el ángulo de ataque oscila alrededor de 0º. Estas oscilaciones pueden dar como resultado un ángulo \alpha de ataque negativo, es decir, el viento ataca la superficie 5 aerodinámica desde el lado 13 a favor del viento en lugar de desde el lado 15 contra el viento. En este caso la pala 1 de rotor experimentará una sustentación negativa en una parte de la superficie 5 aerodinámica y las cargas de viento en la pala 1 de turbina eólica serán opuestas a la dirección principal del viento. Si esto se correlaciona con cargas de sustentación positivas en las otras dos palas los momentos de guiñada y vuelco en la estructura de la turbina eólica pueden volverse muy elevados en una pala de rotor de turbina eólica convencional.

En la pala 1 de rotor de turbina eólica, sin embargo, el dispositivo 21 de inducción de pérdida de sustentación reducirá la sustentación negativa en el perfil de superficie aerodinámica induciendo una pérdida de sustentación en el lado de borde de salida del dispositivo 21. Esto se debe a que por detrás de la geometría a modo de cuña del dispositivo 21 de inducción de pérdida de sustentación aparecerá una pequeña zona de recirculación. Con un ángulo \alpha de ataque negativo esta zona tenderá a romperse y por tanto a desencadenar una mayor pérdida de sustentación en el lado 15 contra el viento de la superficie 5 aerodinámica. Por otro lado, cuando el ángulo \alpha de ataque es positivo, es decir, el viento incidente incide en la pala en el lado 15 contra el viento, el dispositivo 21 de inducción de pérdida de sustentación no tendrá ningún efecto sustancial sobre el flujo de aire de modo que el funcionamiento de la pala 1 de rotor de turbina eólica no se ve influido de manera negativa en condiciones de funcionamiento normales.

El coeficiente C_{l} de sustentación medido y el coeficiente C_{d} de resistencia aerodinámica medido para una pala 1 de rotor de turbina eólica de la invención según la figura 2 se muestran en la figura 4 en función del ángulo \alpha de ataque. Con el fin de poder comparar la pala 1 de turbina eólica según la invención con una pala de turbina eólica convencional el coeficiente C_{l\_ref} de sustentación y el coeficiente C_{d\_ref} de resistencia aerodinámica de una pala de turbina eólica que tiene el perfil mostrado en la figura 2 aunque sin el dispositivo 21 de inducción de pérdida de sustentación también se muestran en la figura. El extremo de lado izquierdo y el extremo de lado derecho de las curvas representan condiciones en las que la superficie aerodinámica entra en pérdida. Por consiguiente, tanto la sustentación mínima como la sustentación máxima se consiguen justo antes de que la superficie aerodinámica entre en pérdida.

La figura 4 muestra que con ángulos de ataque de 3º y superiores los coeficientes C_{l}, C_{l\_ref} de sustentación para las palas de rotor con y sin el dispositivo 21 de inducción de pérdida de sustentación casi coinciden. Por lo tanto, en condiciones de funcionamiento normales con un coeficiente C_{l} de sustentación aproximadamente de 0,6 a 1,2 la influencia del dispositivo 21 de inducción de pérdida de sustentación no es grande. Lo mismo se observa en el caso del coeficiente C_{d} de resistencia aerodinámica. Desde aproximadamente un ángulo \alpha de ataque de 5º o superior los coeficientes C_{d}, C_{d\_ref} de resistencia aerodinámica de la pala con y sin el dispositivo de inducción de pérdida de sustentación casi coinciden. Sólo por debajo de aproximadamente de 5º a 4º aumenta el coeficiente C_{d} de resistencia aerodinámica de la pala 1 de rotor de turbina eólica con el dispositivo 21 de inducción de pérdida de sustentación debido a la pérdida de sustentación en el lado 15 contra el viento de la superficie 5 aerodinámica.

Con ángulos \alpha de ataque por debajo de aproximadamente +3º el coeficiente C_{l} de sustentación de la pala 1 de rotor de turbina eólica según la invención casi no cambia en un intervalo de aproximadamente 10º. Desde aproximadamente \alpha=-7º el coeficiente C_{l} de sustentación cae entonces de manera continua con ángulos \alpha de ataque decrecientes y se vuelve negativo a aproximadamente -14º. El coeficiente C_{l} de sustentación mínimo para la pala 1 de rotor de turbina eólica según la invención es alrededor de -1,0. A diferencia de esto, una pala de rotor de turbina eólica sin el dispositivo 21 de inducción de pérdida de sustentación ya alcanza un coeficiente C_{l\_ref} de sustentación negativo con aproximadamente -1º y tiene un coeficiente de sustentación mínimo de aproximadamente -1,4º. Por tanto, para ángulos \alpha de ataque inferiores a aproximadamente +3º el coeficiente C_{l} de sustentación de la pala 1 de rotor de turbina eólica según la invención siempre es mayor que el coeficiente C_{l\_ref} de sustentación de una pala de rotor de turbina eólica sin el dispositivo 21 de inducción de pérdida de sustentación en el lado 15 contra el viento. Esto disminuiría tanto la fatiga como las cargas extremas sobre la turbina eólica para ángulos \alpha de ataque negativos. Por consiguiente, una situación en la que una pala 1 de turbina eólica experimenta sustentación negativa en una parte de la superficie 5 aerodinámica mientras que las otras palas de rotor de turbina eólica experimentan sustentación positiva no se producirá hasta que se alcance un ángulo \alpha de ataque negativo de -14º. Un funcionamiento con ángulos de ataque bajos tiene por lo tanto menos tendencia a condiciones que producen momentos de guiñada o vuelco elevados.

El desplazamiento del coeficiente de sustentación mínimo de la superficie 5 aerodinámica a coeficientes C_{l} de sustentación superiores por lo tanto disminuye tanto la fatiga como las cargas extremas de la turbina.

Una realización de la pala de turbina eólica según la invención se muestra en la figura 5 que muestra el perfil de la parte 5 de la superficie aerodinámica de la pala. Los elementos de esta realización que no difieren de la pala de turbina eólica mostrada en la figura 2 se designan con los mismos números de referencia que en la figura 2 y no se describirán de nuevo para evitar ser repetitivos.

La diferencia de la realización mostrada en la figura 5 con respecto a la pala de turbina eólica tal como se muestra en la figura 2 radica en la ubicación y la sección transversal del dispositivo de inducción de pérdida de sustentación. En la segunda realización el dispositivo 23 de inducción de pérdida de sustentación está ubicado cerca del borde 9 de ataque del perfil de superficie aerodinámica. Además, en lugar de tener una sección transversal parecida a un triángulo escaleno el dispositivo 23 de inducción de pérdida de sustentación de la realización tiene una sección transversal parecida a un triángulo isósceles. La ubicación del triángulo está por debajo del 5% de la longitud de cuerda medida desde el borde 9 de ataque y, en la presente realización, a aproximadamente el 2% de la longitud de cuerda.

Aunque en el estado de la técnica el problema de cargas asimétricas ocasionalmente elevadas en la estructura de la turbina eólica se ha tratado generalmente dimensionando la estructura para soportar las cargas previstas más elevadas, la presente invención permite liberar las restricciones respecto al dimensionamiento de la estructura de turbina. Esto significa que pueden realizarse diseños menos pesados en comparación con los diseños que tienen en cuenta cargas asimétricas elevadas a la hora de dimensionar la estructura.

Claims (3)

1. Pala (1) de rotor de turbina eólica con un perfil (5) de superficie aerodinámica que tiene un lado (15) de presión, un lado (13) de succión y un dispositivo (21) de inducción de pérdida de sustentación ubicado en el lado (15) de presión del perfil (5) de superficie aerodinámica, teniendo el dispositivo (23) de inducción de pérdida de sustentación la sección transversal de un triángulo isósceles, caracterizada porque el dispositivo de inducción de pérdida de sustentación está ubicado cerca del borde (9) de ataque del perfil (5) de superficie aerodinámica por debajo del 5% de la longitud de cuerda del perfil (5) de superficie aerodinámica.

2. Pala (1) de rotor de turbina eólica según la reivindicación 1, caracterizada porque el dispositivo (23) de inducción de pérdida de sustentación está ubicado entre el 2% de la longitud de cuerda y el 5% de la longitud de cuerda.

3. Turbina eólica con regulación de paso que comprende un rotor con al menos una pala (1) de rotor de turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.